Pilas de combustible de membranas poliméricas

Las partes más importantes de este tipo de pilas son: el armazón, las placas bipolares, los electrocatalizadores para el electrodo de combustible y la membrana conductora de iones.

Dependiendo del combustible utilizado, los requerimientos para los materiales de este tipo de pilas son completamente diferentes.

En el futuro se pretende conseguir la reducción del coste del sistema prestando atención a la selección de los materiales y la fabricación y, reducir el precio gracias a la producción en masa. Al querer usar diferentes combustibles, cambian los requerimientos de los catalizadores siendo, por ejemplo, necesario que estos funcionen correctamente en contacto con CO.

Las pilas que utilicen metanol también necesitan un catalizador tolerante al CO porque durante la electrooxidación se forman especies que lo absorben. Las moléculas de metanol tienen el problema de que atraviesan las membranas permeables existentes para las pilas de combustible lo que produce pérdidas en la pila y también hace que se contamine el aire de los electrodos. Esa desventaja se resolvería con el desarrollo de nuevos materiales para la construcción de las membranas. Estas tendrán que tener una mayor estabilidad térmica porque la tolerancia a CO de los electrocatalizadores depende de la temperatura.

Las temperaturas de trabajo por encima del punto de ebullición del agua requieren materiales para las membranas muy diferentes porque implicaría que no habría agua líquida para la conducción protónica.

Las placas bipolares

Tienen que tener un coste adecuado y cumplir con las propiedades necesarias. De momento, de los materiales más utilizados, está el grafito por sus propiedades corrosivas. Aunque su conductividad es mucho menor que la de los metales, están en proceso las construcciones de placas bipolares con polímeros de carbono o grafito consiguiéndose así reducir la resistividad de la placa bipolar bastante. Los costes de fabricación de dichas placas siguen siendo altos. Al ser el grafito un material poroso, hay que añadirle una capa de resina para proporcionarle la impermeabilidad necesaria. Para ello se usan materiales como el polipropilendo que, además, al ser mezclado con el grafito ayuda le ayuda a conseguir la conductividad eléctrica necesaria. Así, unos contenidos del 50-80% en peso de carbono en las placas optimizan el proceso de producción a la par que las características del material final obtenido.

Otra estrategia consiste en fabricar placas bipolares metálicas. En este caso los problemas surgen a la hora de buscar materiales que aguanten bien el entorno ácido en el que tiene que funcionar la membrana. El mejor material para ello es el acero inoxidable, aunque también se pueden usar titanio, niobio, tántalo u oro aunque estos son demasiado caros.

Electrocatalizadores

El platino es el material óptimo para esta parte de las pilas. Para reducir los costes se han desarrollado sistemas de incluir nanopartículas de platino sobre un soporte de carbón. La cantidad de platino presente en los primeros desarrollos era muy alta, pero en la actualidad se ha reducido significativamente hasta los 2 mg por centímetro cuadrado y, en algunos casos hasta los 0.5 sin que ello afecte a las prestaciones ni a la vida media de la pila. En fase de investigación están pilas con cantidades aún más pequeñas de platino. El catalizador también tiene que ser tolerante al CO lo que representa un gran desafío para la producción de este tipo de pilas a escala comercial. Dado que la oxidación de CO absorbido y Pt es lenta, así que es acelerada usando algunas especies de OH.

Membrana

El desarrollo de las PEMFC empezó en los años 50. La introducción del Nafion en el proceso aseguró la continuación del interés en el desarrollo de estos sistemas. En los años 90 también se consiguieron mejorar las propiedades del Nafion para unas mayores conductividades iónicas eligiendo copolímeros ácidos perfluorosulfonicos. En general las membranas tienen que tener una alta conducción de protones que, normalmente, es asegurada por grupos iónicos ácidos y que depende del grado de sulfunación y del grosor de la membrana.

También tienen que tener una buena resistencia mecánica, química y térmica que normalmente se consigue con polímeros adecuados. En el caso de las membranas finas, se usa refuerzo para conseguirlo. Tienen que tener una baja permeabilidad de los gases que depende del material y del grosor de la membrana.

El uso del Nafion permite que las pilas de combustible no aumenten de forma excesiva su peso aunque no se ha conseguido que su precio baje adecuadamente. Aunque los hidrocarburos no tienen suficiente estabilidad térmica, se usan cada vez más combinaciones de los mismos para la construcción de las membranas de las pilas. De ellos, los más estables son los poliarilenos que son preparados sulfanando polímeros ya disponibles comercialmente. Para conseguir las altas conducividades iónicos se necesita una alta sulfanación del material de la mambrena aunque eso puede llevar a un considerable aumento de volumen. Si se produce el enlace ente las cadenas poliméricas a los grupos ácidos en el propio proceso de producción, esto se puede evitar.

Para operar a altas temperaturas se busca que haya un alto potencial para las DMFC y también resistencia a combustibles con gran presencia de CO.

En las membranas descritas, el mecanismo de conducción de protones depende de la migración de los protones hidratados. Por ello, por encima de los 100ºC hace falta un proceso de presurización para asegurar que haya agua líquida para el funcionamiento de la pila. El ácido fosfórico y los polímeros con heterociclos inmovilizados tienen mecanismos de conducción que pueden ser utilizados a temperaturas superiores al punto de ebullición del agua. El ácido fosfórico líquido en una matriz porosa presenta una nueva forma de conseguir compuestos con mejores propiedades. Uno de los materiales que se utilizan a altas temperaturas es el polibenzimizadol (PBI) que forma compuestos con los ácidos inorgánicos. Más tarde, el PBI se usaba con polímeros ácido-básicos de forma que el sistema llegaba a eficiencias similares a las producidas por el Nafion.